INSTITUTO SUPERIOR DE ENGENHARIA DE LISBOA · or são alimentados por uma fonte de corrente em regime estacionário (DC) que permite controlar a sua respectiva intensidade luminosa

INSTITUTO SUPERIOR DE ENGENHARIA DE LISBOA

ÁREA DEPARTAMENTAL DE ENGENHARIA DE ELECTRÓNICA E

TELECOMUNICAÇÕES E DE COMPUTADORES

Fotodetector e dispositivo WDM integrados

Manual de funcionamento

Setembro de 2012

Índice

Fotodetector e dispositivo WDM integrados Página ii

Índice

Capítulo 1 - Medição de resposta espectral ......................................................................................... 1

1.1 - Interface gráfico OSPA ............................................................................................................ 2

1.2 - Variação da frequência do sinal incidente ............................................................................. 13

1.3 - Influência da luz de fundo ..................................................................................................... 13

Capítulo 2 - Análise de sinais WDM ................................................................................................. 14

2.1 - Ligação série à placa microcontroladora ............................................................................... 16

2.2 - Variação do bit-rate do sinal incidente .................................................................................. 18

2.3 - Influência da luz de fundo ..................................................................................................... 19

Índice

Página iii Fotodetector e dispositivo WDM integrados

Lista de Figuras

Figura 1 – Diagrama da montagem para o estudo da resposta espectral. ............................................ 1

Figura 2 – Atalho da aplicação OSPA instalada no computador. ........................................................ 2

Figura 3 – Execução da aplicação OSPA. ............................................................................................ 3

Figura 4 – Interface gráfico da aplicação OSPA.................................................................................. 3

Figura 5 – Escolha da fonte de luz para as medições. .......................................................................... 4

Figura 6 – Escolha do interface de comunicações do equipamento Triax. .......................................... 4

Figura 7 – Indicação da inicialização do equipamento Triax. ............................................................. 5

Figura 8 – Confirmação da inicialização do equipamento Triax no interface GPIB1. ........................ 5

Figura 9 – Definição da abertura da lente do equipamento Triax. ....................................................... 6

Figura 10 – Escolha do equipamento de medida para as medições. .................................................... 6

Figura 11 – Escolha do interface de comunicações do equipamento Lock-In. .................................... 7

Figura 12 – Confirmação da comunicação do equipamento Lock-In no interface GPIB8. ................. 7

Figura 13 – Definições do equipamento de medidas Lock-In. ............................................................. 8

Figura 14 – Interface gráfico da aplicação OSPA. ............................................................................... 8

Figura 15 – Escolha dos parâmetros de configuração da medição da resposta espectral. ................... 9

Figura 16 – Tensão de polarização definida no equipamento Lock-In. ............................................. 10

Figura 17 – Início do processo de medição da resposta espectral. .................................................... 10

Figura 18 – Processo de medição da resposta espectral em curso. .................................................... 11

Figura 19 – Gravação da descrição da medição da resposta espectral. .............................................. 11

Figura 20 – Confirmação do sucesso da gravação das medições efectuadas. .................................... 12

Figura 21 – Resultado gráfico da medição da resposta espectral. ..................................................... 12

Figura 22 – Controlador da frequência do Chopper. ......................................................................... 13

Figura 23 – LED DC como luz de fundo posterior. ........................................................................... 13

Figura 24 – Diagrama da montagem para o estudo dos sinais WDM. ............................................... 14

Figura 25 – Ajuste da tensão de polarização do Lock-In. .................................................................. 15

Figura 26 – Suporte dos LEDs de sinal RGB e do led de fundo frontal. ........................................... 15

Figura 27 – Distribuição dos LEDs de sinal RGB e do led de fundo frontal no suporte. .................. 16

Figura 28 – Execução da aplicação Hiperterminal. ........................................................................... 16

Figura 29 – Configuração da ligação série através da aplicação Hiperterminal. .............................. 17

Figura 30 – Lista de comandos da placa microcontroladora. ............................................................ 17

Figura 31 – Exemplo de uma configuração de sinais na placa microcontroladora. ........................... 18

Figura 32 – Medição de fotocorrente no osciloscópio de 4 canais. ................................................... 18

Figura 33 – LED DC como luz de fundo frontal e posterior. ............................................................ 19

Índice

Fotodetector e dispositivo WDM integrados Página iv

Lista de Acrónimos e Termos

Acrónimo/Termo Descrição

GPIB General Purpose Interface Bus

LED Light-Emitting Diode

RGB Red-Green-Blue

WDM Wavelength Division Multiplexing

Capítulo 1 – Medição da resposta espectral

Página 1 Fotodetector e dispositivo WDM integrados

Capítulo 1 - Medição de resposta espectral

A resposta espectral estuda a fotocorrente gerada para cada comprimento de onda da luz

incidente, sendo uma medida importante para a caracterização do dispositivo semicondutor pois

corresponde a uma medida directa da célula. Esta é considerada a resposta do dispositivo para cada

comprimento de onda da radiação incidente.

De forma a possibilitar a realização das medidas para o estudo da resposta espectral da estru-

tura semicondutora, foi efectuada a montagem da Figura 1.

Figura 1 – Diagrama da montagem para o estudo da resposta espectral.

Para a medição da resposta espectral do dispositivo foi utilizada uma fonte de luz de halogé-

nio que é separada em diferentes comprimentos de onda usando um monocromador, sendo que toda

a experiência é controlada por um computador.

A luz emitida por essa fonte luminosa é focada na grelha de difracção do monocromador que

é controlado por um motor de passos, permitindo efectuar o varrimento dos diferentes comprimen-

tos de onda desde os 400nm até aos 800nm. Em cada comprimento de onda, a luz monocromática

resultante incide no fotodetector, sendo então realizada a medida da fotocorrente gerada pelo dispo-

sitivo através do Lock‐in.


Fotodetector e dispositivo WDM integrados Página 2

É também utilizado um pré-amplificador de baixo ruído, entre a saída do sinal do dispositivo

fotodetector e a entrada do sinal no Lock-in, de forma a permitir amplificar o sinal gerado pelo dis-

positivo fotodetector dado que este é bastante pequeno.

O Chopper permite modular a frequência do sinal da fonte de luz incidente e é através do

Lock-in que o dispositivo fotodetector pode ser polarizado com valores de tensão positiva ou nega-

tiva.

Os dispositivos LED (Light-Emitting Diode) de fundo que incidem no lado frontal e posteri-

or são alimentados por uma fonte de corrente em regime estacionário (DC) que permite controlar a

sua respectiva intensidade luminosa.

1.1 - Interface gráfico OSPA

Efectuada a montagem da Figura 1, é necessária a execução de uma aplicação de nome

OSPA que se encontra previamente instalada no computador (Figura 2).

Figura 2 – Atalho da aplicação OSPA instalada no computador.

Ao ser iniciado o programa criado na linguagem de programação Visual Basic aparece a

janela de execução do Microsoft Visual Studio da Figura 3. Deve ser iniciado o modo Debugging

para ser possível aceder ao interface gráfico que permite manipular a aplicação criada.



Figura 3 – Execução da aplicação OSPA.

Ao ser iniciado o modo Debugging da aplicação aparece o interface gráfico da aplicação que

irá controlar todo o processo de medição da resposta espectral (Figura 4).

Figura 4 – Interface gráfico da aplicação OSPA.



Nesta aplicação teremos de definir a selecção dos instrumentos que a aplicação irá utilizar.

O primeiro equipamento a ser escolhido será aquele que corresponde à fonte de luz, que neste caso

será o equipamento Triax 190 (Figura 5).

Figura 5 – Escolha da fonte de luz para as medições.

Ao ser escolhido o equipamento Triax190 é apresentada uma janela no ecrã de forma a ser

possível seleccionar determinados parâmetros do respectivo equipamento (Figura 6). Escolhe-se

primeiramente o interface de comunicação do equipamento que será GPIB (General Purpose Inter-

face Bus) e procede-se à inicialização do equipamento.

Figura 6 – Escolha do interface de comunicações do equipamento Triax.



Tendo sido escolhido o interface GPIB e solicitada a inicialização do equipamento será

apresentada a mensagem de confirmação da Figura 7.

Figura 7 – Indicação da inicialização do equipamento Triax.

Após a solicitação da inicialização do equipamento será audível o início do equipamento

ajustando a lente, a grelha de difracção e o respectivo motor de passos. Caso o processo de iniciali-

zação seja concluído com sucesso será apresentada a mensagem da Figura 8. Caso não seja efectua-

da a comunicação com sucesso será necessário verificar a alimentação do equipamento Triax e os

cabos de ligação entre os interfaces GPIB respectivos.

Figura 8 – Confirmação da inicialização do equipamento Triax no interface GPIB1.

Existindo uma correcta comunicação entre o equipamento Triax e o computador através do

interface GPIB será necessário definir o tamanho da abertura da lente do Triax. Quanto maior o

tamanho da abertura maior a intensidade luminosa que irá incidir sobre a estrutura semicondutora.

Neste caso, o tamanho da abertura da lente será definida para 1mm (Figura 9). Após a con-

firmação dos valores de abertura da lente (Set Slits) é necessário gravar as alterações ao equipamen-

to (Apply Settings).



Figura 9 – Definição da abertura da lente do equipamento Triax.

O passo seguinte será definir o equipamento de medidas que a aplicação irá utilizar no pro-

cesso de medição. Neste caso iremos utilizar o equipamento Lock-In para gerar a tensão de polari-

zação a aplicar ao dispositivo semicondutor e também para a leitura dos valores da fotocorrente

gerada (Figura 10).

Figura 10 – Escolha do equipamento de medida para as medições.

Ao ser escolhido o equipamento Lock-In é apresentada uma janela no ecrã de forma a ser

possível seleccionar determinados parâmetros do respectivo equipamento (Figura 11). Escolhe-se

primeiramente o interface de comunicação do equipamento que será GPIB e procede-se à inicializa-

ção do equipamento.



Figura 11 – Escolha do interface de comunicações do equipamento Lock-In.

Existindo uma correcta comunicação entre o equipamento Lock-In e o computador através

do interface GPIB é apresentada uma mensagem indicando o sucesso da comunicação (Figura 12).

Figura 12 – Confirmação da comunicação do equipamento Lock-In no interface GPIB8.

Será agora necessário definir o tipo de sinal de entrada no dispositivo Lock-In. Neste caso o

tipo de medição será corrente. Após a selecção do tipo de medição gravam-se as respectivas confi-

gurações do equipamento (Figura 13).



Figura 13 – Definições do equipamento de medidas Lock-In.

Após a selecção e configuração dos equipamentos necessários para o processo de medição

na aplicação gráfica será possível passar ao processo de medição propriamente dito (Figura 14).

Figura 14 – Interface gráfico da aplicação OSPA.

Será agora necessário definir os parâmetros que são pretendidos para a obtenção dos resulta-

dos. Desta forma o tipo de medida será configurado para fotocorrente em função do comprimento

de onda (Measurement defindo em E).



A tensão de polarização será manipulada no campo Set Bias e a janela de comprimentos de

onda a medir será definida no campo Axis com os respectivos valores de Start e End.

Teremos também de definir o valor de Step dos comprimentos de onda, bem como o período

de amostragem do sinal (Sampling Period).

O tipo de leitura de valores (Reading Type) deverá ficar definido no tipo de leitura AC.

Será também necessário definir a escala de valores do gráfico a ser apresentada como Semi-

log de forma a ser mais facilmente visível as diferenças de valores medidas.

Os valores ideais para a medição da resposta espectral encontram-se definidos na Figura 15.

Figura 15 – Escolha dos parâmetros de configuração da medição da resposta espectral.

De forma a validar a comunicação e correcta configuração dos equipamentos será visível

que ao escolher o valor no campo Set Bias na Figura 15 para o valor de -8V, o dispositivo Lock-In

irá mostrar esse valor de polarização a aplicar ao dispositivo no seu ecrã conforme demonstra a Fi-

gura 16.



Figura 16 – Tensão de polarização definida no equipamento Lock-In.

Com a correcta configuração dos equipamentos na aplicação gráfica, e com a definição de

todos os parâmetros de medida, podemos proceder ao início do processo de medição tendo em con-

sideração que os resultados da medição serão por defeito guardados na pasta pré-definida apresen-

tada na aplicação (Figura 17).

Figura 17 – Início do processo de medição da resposta espectral.

Iniciado o processo de medição será audível o funcionamento e ajuste do motor de passos e

da grelha de difracção a efectuar a análise na janela de comprimentos de onda definida na aplicação.

Na aplicação gráfica (Figura 18) serão apresentados os resultados medidos a nível de valores numé-

ricos e a nível de gráfico. De salientar que é apresentado o valor do comprimento de onda actual

sobre o qual está a ser efectuada a medição da fotocorrente.



Figura 18 – Processo de medição da resposta espectral em curso.

Finalizado o processo de medição é solicitado ao utilizador que introduza uma breve descri-

ção da medição efectuada, que poderá ser opcional (Figura 19).

Figura 19 – Gravação da descrição da medição da resposta espectral.

Será indicado ao utilizador que as medições efectuadas se encontram gravadas (Figura 20).



Figura 20 – Confirmação do sucesso da gravação das medições efectuadas.

A Figura 21 apresenta o resultado final da medição da resposta espectral com o gráfico re-

sultante da fotocorrente em função do comprimento de onda. Caso se pretendam guardar os resulta-

dos medidos a nível de valores numéricos deverá ser seleccionada a caixa dos respectivos valores e

copiar os mesmos para uma folha de dados Excel.

Figura 21 – Resultado gráfico da medição da resposta espectral.



1.2 - Variação da frequência do sinal incidente

A variação da frequência do sinal incidente é efectuada através do controlador da frequência

da rotação da roda Chopper (Figura 22).

Figura 22 – Controlador da frequência do Chopper.

1.3 - Influência da luz de fundo

A luz de fundo poderá incidir pelo lado frontal e pelo lado posterior da estrutura semicondu-

tora, utilizando um LED DC, onde poderá também ser alterada a corrente de polarização desse

mesmo LED de forma a variar a sua intensidade luminosa (Figura 23).

Figura 23 – LED DC como luz de fundo posterior.

Capítulo 2 – Análise de sinais WDM


Capítulo 2 - Análise de sinais WDM

Nesta fase do trabalho pretende-se analisar a transmissão de sinais WDM (Wavelength Divi-

sion Multiplexing) e a utilização do dispositivo fotodetector como demultiplexador sob diferentes

condições de iluminação, variando o bitrate e a intensidade dos LEDs geradores do sinal, bem co-

mo a intensidade, posição e comprimento de onda da radiação do LED de fundo.

De forma a ser possível caracterizar esta estrutura semicondutora como dispositivo demulti-

plexador foi feita a medição da fotocorrente gerada com um osciloscópio sob diferentes condições

de iluminação de fundo. A montagem experimental encontra-se esquematizada na Figura 24.

Figura 24 – Diagrama da montagem para o estudo dos sinais WDM.

Para a simulação dos três canais de transmissão de dados foram utilizados três LEDs de alto

brilho com os respectivos comprimentos de onda que cobrem a região do espectro visível, luz ver-

melha (626nm), verde (525nm) e azul (470nm). Cada um destes LEDs irá representar um canal óp-

tico diferente através de um sinal de onda quadrada que será controlado por uma placa microcontro-

ladora ligada a um computador.

Esta placa é alimentada através de uma fonte DC de tensão e totalmente configurável através

de uma ligação série de um computador. Através desta placa é possível definir e gerar as sequências



binárias individuais nos três canais e também regular a corrente de polarização desses mesmos

LEDs emissores de sinal.

De forma a poder controlar a tensão de polarização do dispositivo fotodetector, é utilizado o

dispositivo condicionador Lock-In configurado para uma determinada tensão DC fixa. Por defeito, a

tensão de polarização utilizada nas medições é de -8V, sendo esse valor de tensão ajustado através

do botão rotativo do equipamento Lock-In (Figura 25).

Figura 25 – Ajuste da tensão de polarização do Lock-In.

Dado que o sinal de fotocorrente gerado pelo dispositivo fotodetector é bastante pequeno, é

necessário efectuar a amplificação desse mesmo sinal. Para tal, é utilizado um dispositivo pré-

amplificador de baixo ruído. Para a leitura do sinal óptico emitido pelos três canais de transmissão

de dados e também para a medição da fotocorrente gerada pelo dispositivo fotodetector, foi utiliza-

do um osciloscópio digital de 4 canais, sendo possível com um software de captura de dados aceder

a esta informação do osciloscópio através de um computador.

Os LEDs de fundo que incidem no lado frontal e posterior são alimentados por uma fonte de

corrente DC que permite controlar a sua respectiva intensidade luminosa, sendo também posiciona-

dos num suporte específico (Figura 26).

Figura 26 – Suporte dos LEDs de sinal RGB e do led de fundo frontal.



A distribuição dos respectivos LEDs de sinal RGB (Red-Green-Blue) e do LED de fundo

frontal encontram-se distribuídos da forma apresentada na Figura 27.

Figura 27 – Distribuição dos LEDs de sinal RGB e do led de fundo frontal no suporte.

2.1 - Ligação série à placa microcontroladora

De forma a controlar a placa microcontroladora e o funcionamento dos respectivos LED’s

será necessário definir uma ligação entre o computador e a placa através de uma ligação à porta

série. Uma aplicação de fácil utilização e que se encontra instalada por defeito no computador é a

aplicação Hiperterminal (Figura 28).

Figura 28 – Execução da aplicação Hiperterminal.

Na aplicação Hiperterminal é definido um nome para a ligação a ser executada, é escolhida

a porta de comunicação a utilizar no computador e os respectivos parâmetros da ligação série

(Figura 29).

Led do canal B

(Led0)

Led de Fundo

Led do canal R

(Led1)

Led do canal G

(Led2)



Figura 29 – Configuração da ligação série através da aplicação Hiperterminal.

Após a escolha dos parâmetros de ligação é visível a lista de comandos que poderão ser da-

dos à placa microcontroladora (Figura 30).

Figura 30 – Lista de comandos da placa microcontroladora.

Com a lista de comandos da placa microcontroladora podemos então definir o bit-rate do

sinal incidente, definir a sequência de transmissão de cada um dos três canais do sinal incidente e

iniciar a transmissão desse mesmo sinal (Figura 31).



Figura 31 – Exemplo de uma configuração de sinais na placa microcontroladora.

O resultado da medição é apresentado no osciloscópio digital de 4 canais (Figura 32).

Figura 32 – Medição de fotocorrente no osciloscópio de 4 canais.

2.2 - Variação do bit-rate do sinal incidente

A variação do bit-rate do sinal de dados incidente é efectuada através da lista de comandos

da placa microcontroladora (Figura 30 e Figura 31).

Opção ‘b’

Opção ‘s’

Opção ‘i’



2.3 - Influência da luz de fundo

A luz de fundo poderá incidir pelo lado frontal e pelo lado posterior da estrutura semicondu-

tora, utilizando um LED DC, onde poderá também ser alterada a corrente de polarização desse

mesmo LED de forma a variar a sua intensidade luminosa (Figura 33).

Figura 33 – LED DC como luz de fundo frontal e posterior.

Luz de fundo

posterior

Sinal de dados

RGB e luz de

fundo frontal

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